荷電粒子束輻照作用下若干光學(xué)器件及半導(dǎo)體材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能.pdf

1、本文對空間EUV望遠(yuǎn)鏡中光學(xué)器件及半導(dǎo)體材料進(jìn)行了荷電粒子束輻照效應(yīng)研究，利用光學(xué)顯微鏡(OM)，掃描電子顯微鏡(SEM)，原子力顯微鏡(AFM)，透射電子顯微鏡(TEM)，極紫外反射率計(EXRR)和光致發(fā)光光譜儀(PL)等多種表征及測試手段重點(diǎn)考察了輻照效應(yīng)對材料微觀結(jié)構(gòu)與物理性能的影響。
　　在不同本底真空度下(6×105 Torr,3×10-5 Torr, and3×10-6 Torr)制備“嫦娥三號”衛(wèi)星著陸器所攜帶的E

2、UV相機(jī)中Mo/Si多層膜反射鏡，并對多層膜的微觀結(jié)構(gòu)和物理性能進(jìn)行檢測和分析。小角XRD結(jié)果顯示，本底真空度越高，制備出的多層膜周期性越好;EXRR測量結(jié)果顯示:多層膜的反射率隨著本底真空度的升高，從1.93％升高到16.63％。這主要是因?yàn)殄兡C(jī)的本底真空度不夠高會引入雜質(zhì)氣體，O2、N2等雜質(zhì)氣體會進(jìn)入到膜層內(nèi)部，TEM照片顯示樣品出現(xiàn)斷開、彎曲等形貌，同時會導(dǎo)致Mo層和Si層相互擴(kuò)散嚴(yán)重，增加了膜層界面粗糙度，從而導(dǎo)致反射率降低

3、。Mo/Si多層膜高反射率的高低主要取決于Mo在(110)晶面上擇優(yōu)取向以及較低的界面粗糙度。過渡層是由于Mo層和Si層相互擴(kuò)散引起的，Mo-on-Si層總是比Si-on-Mo層厚。
　　在空間環(huán)境模擬裝置中對Mo/Si多層膜反射鏡進(jìn)行能量為100 keV，劑量為6×1011/cm2和6×1013/cm2的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn);利用蒙特-卡洛隨機(jī)統(tǒng)計法模擬100 keV質(zhì)子及其輻照誘發(fā)的缺陷在多層膜內(nèi)的濃度分布;系統(tǒng)地分析了輻照誘發(fā)的各種

4、微觀結(jié)構(gòu)缺陷的類型、尺寸、密度、分布等特征及演化規(guī)律;分析微觀缺陷對Mo/Si多層膜界面的元素擴(kuò)散行為以及界面過渡層結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，總結(jié)和建立微觀結(jié)構(gòu)與材料物理性能之間的關(guān)系。模擬輻照結(jié)果顯示，質(zhì)子輻照的過程中的能量損失貫穿整個樣品，但是主要集中在Mo/Si多層膜的末段，入射質(zhì)子在軌跡末端將其絕大部分能量傳遞給靶材原子（Mo原子和Si原子），造成大量離位原子和空位，產(chǎn)生晶格缺陷，在軌跡末端附近產(chǎn)生最大損傷，而Mo層中的缺陷明顯多于Si層

5、;輻照后EXRR測試結(jié)果表明:質(zhì)子輻照導(dǎo)致Mo/Si多層膜反射鏡光學(xué)性能退化，反射率降低，中心波長紅移;質(zhì)子輻照對Mo/Si多層膜微觀結(jié)構(gòu)的影響是原子級的，通過輻照加劇了原子間的擴(kuò)散導(dǎo)致納米厚度的膜層分布不均勻，在過渡層中形成了MoSi2(101)和Mo5Si3(310)的織構(gòu)，使得本身就存在的過渡層微結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，最終導(dǎo)致光學(xué)性能的嚴(yán)重下降。
　　采用強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)裝置輻照單晶Si和單晶Ge。HCPEB輻照單晶

6、Si后表面形成大量彌散的火山坑狀的熔坑形貌，熔坑的數(shù)量密度隨輻照次數(shù)的增加而減小;OM觀察結(jié)果顯示HCPEB轟擊處理還能在單晶硅表面誘發(fā)強(qiáng)烈的塑性變形，產(chǎn)生幅值極大及高應(yīng)變速率的準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力，形成整齊排布的微裂紋，其中[100]取向的形成矩形網(wǎng)絡(luò)，[111]取向的形成正三角形網(wǎng)絡(luò);TEM顯示HCPEB輻照在Si表面誘發(fā)了豐富的位錯組態(tài)，包括螺型位錯，位錯偶極子、位錯纏結(jié)，和位錯網(wǎng)絡(luò)，這些都位錯的分解和拓展有關(guān)。除了各種位錯之外，還觀察到

7、層錯、弗蘭克位錯圈、偏位錯圈和SFT結(jié)構(gòu)，這些缺陷不僅包括過飽和空位和由空位凝聚而成的各種空位型結(jié)構(gòu)缺陷，也包括豐富的位錯、堆垛層錯等線、面晶體缺陷;而過飽和空位（或許包括空位簇缺陷）在HCPEB輻照造成的溫度梯度作用下會沿著位錯、堆垛層錯等擇優(yōu)地向表面快速遷移，在Si表面局部區(qū)域形成密集的多孔結(jié)構(gòu)，而孔的密度和尺寸會隨著輻照次數(shù)的增加而增大;TEM觀察結(jié)果顯示，HCPEB輻照還在Si表面產(chǎn)生改性效果，由于脈沖電子在Si表面的快速加熱和

8、冷卻過程，使得Si晶核來不及長大，形成了Si納米晶，PL光譜顯示輻照后Si樣品具有還410 nm(3.01eV)左右的藍(lán)光發(fā)射現(xiàn)象，其光致發(fā)光機(jī)理可以由鑲嵌在輕微氧化或氮化的非晶結(jié)構(gòu)中的Si納米晶的量子限制效應(yīng)來解釋; AFM觀察顯示，HCPEB輻照在Si表面形成了網(wǎng)格型和六邊形自組裝納米陣列，與TEM中的位錯網(wǎng)絡(luò)保持非常一致的幾何形狀，輻照誘發(fā)的位錯等缺陷結(jié)構(gòu)對沉積過程中的Si顆粒（原子）更具吸附力，即位錯等缺陷結(jié)構(gòu)為自組裝納米網(wǎng)格結(jié)

9、構(gòu)的形成提供了驅(qū)動力。
　　HCPEB輻照單晶Ge在表面誘發(fā)了大量熔坑，局部裂紋，其形貌特征、演化規(guī)律與單晶Si的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同;TEM觀察結(jié)果顯示，Ge中的微觀缺陷以空位簇缺陷以及位錯圈為主，Ge納米晶的尺寸在4nm左右，比Si納米晶的尺寸稍大，而且尺寸分布較均勻，其原因是Ge的熔點(diǎn)比Si的熔點(diǎn)低，相同輻照參數(shù)下Ge納米晶有更長的生長時間;PL結(jié)果顯示輻照后單晶Ge樣品仍然具有藍(lán)光發(fā)射特性，發(fā)光機(jī)理為鑲嵌在輕微氧化或氮化的非晶

10、結(jié)構(gòu)中的Ge納米晶的量子限制效應(yīng)。HCPEB輻照在Ge表面也形成了自組裝納米結(jié)構(gòu)，截面TEM顯示量子點(diǎn)下方存在250 nm深的缺陷通道，證實(shí)了Si表面的自組裝納米陣列形成機(jī)理，因此本文中HCPEB輻照誘發(fā)自組裝納米結(jié)構(gòu)機(jī)制為:輻照時表面被迅速加熱，熔化、蒸發(fā)、氣化并形成等離子體，而Si，Ge是半導(dǎo)體材料，導(dǎo)電能力弱，電子輻照后表面滯留了大量的負(fù)電荷。同時，電子輻照在材料中同時引入點(diǎn)缺陷、位錯、空位簇缺陷等具有電荷性的大量缺陷，使得表面電